GHz片式谐振器

1、电子器件项目报告实验名称:4.8GHz片式谐振器的设计 学 院:材料科学与工程 专业/班级:12级电子元器件1班 学生姓名: 石先玉、唐川、曹淼 学 号: 指导教师: 丁士华 开始时间:2015 年 5 月 9 日完成时间:2015 年 6 月 6 日4.8GHz片式谐振器的设计目录摘要第一章、设计原理1.1微波谐振器1.2 微带线1.2.1 介质微带线1.2.2 微带线的一些计算公式1.2.3 微带线损耗1.2.4 微带线谐振器简介第二章、设计过程2.1 设置参数及计算2.1.1 近似长度计算2.1.2 参数的最终计算2.2 Sonnet软件仿真2.3 采用柠檬酸凝胶法制备BaTi409微波

2、介质陶瓷2.4 真空镀膜中心导电带总结参考文献摘要：随着通信事业的高速发展，对微波元器件的于小型化提出了越来越高的要求。本项目主要研究设计中心频率为4.8GHz、品质因数大于等于100，尺寸为mm（长宽高）、阻抗匹配为50欧姆的谐振器。采用了能有效减小器件体积的微带线进行设计。设计过程中包括材料的选择、原理的介绍、数据的计算、对设计出的片式微带线谐振器进行sonnet软件仿真、用柠檬酸凝胶法制备BaTi409微波介质陶瓷以及真空镀膜中心导电带。关键词：谐振器、微带线、sonnet软件。第一章、设计原理1.1、微波谐振器在微波以下的频段，采用集中参数的电感L和电容c来构造谐振回路。但当频率升高至

3、微波频段后，由于趋肤效应引起的欧姆损耗、由介质引起的介质损耗和辐射引起的损耗大大增加，从而明显降低谐振回路的Q值。并且，由于频率的增加，使得L和C的数值大大减少，这一方面减少储能空间，从而进一步降低谐振回路的Q值及功率容量等性能；另一方面，由于L、C太小也使工艺结构上难以实现。因此，在微波技术中常采用的是如图11所示的一些谐振腔(器)： （a）波导型腔 （b）同轴型腔 （c）微带谐振器 （d）介质谐振器图1-1 微波谐振器1.2 微带线1.2.1 微带线简介微带线是微波集成电路（MIC)中使用最多的一种传输线，随着MIC的日益的进步，微带电路在微波中的地位也越来越显著。微带线课印制在很薄的介质

4、基片上（可以薄到1mm以下），故其横截面尺寸比波导、同轴线要小得多。其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟，也可以方便地解决匹配问题。当设计时采用高介电常数的介质基片，还可使线上的波长比自由空间波长小了几倍，同时整个微带元件共用接地板，只须由导体带条构成电路图形，使整个电路的结构集成紧密，由于这些因素，微带电路较好地解决了小型化问题，与波导、同轴线元件相比，大大地减小了体积、重量，因而使电路的结构和工艺大为简化。微带线的结构如图1-2所示：图1-2 微带线几何参数1.2.2 微带线的一些计算公式在实际应用中，要解决电路匹配问题时，阻抗特性是一个重要参量。基片内相对介质的介电常数为时微带线的有效介电常数

5、：=（）=（）特性阻抗：传播波长：=1.2.3 微带线的损耗损耗是传输线的重要传输特性之一。因为微带线的结构是不封闭的，所以微带线上的损耗远大于同轴线、波导的损耗，在设计微带线电路的时候，必须考虑到损耗对其的影响。微带线的损耗来自于以下三方面：a、微带线介质损耗:它主要是由于介质的漏电特性决定的，假设微带线的介质损耗为，低损耗的介质损耗可以用下式表示：（dB/cm）损耗比较高的介质损耗为：（dB/cm）其中是损耗角正切。b、导体损耗:微带线有着一定的电导率，当电流通过导体带条和接地板的时候，就会产生热损耗。由于微带线的横截面积很小，所以相对于波导和同轴线来说，它的散热很慢，这就造成微带线的导体

6、损耗很大。这也是微带线导体损耗的主要部分，假设微带线导体损耗为，则有：其中，是导体的电导率。c、辐射损耗：由于微带线场具有半开放性的结构，所以会产生辐射损耗。由于h/0.01，所以忽略辐射损耗。1.2.4 微带线谐振器简介在微波集成电路中，广泛使用带状线和微带线谐振器作振荡回路、滤波器、稳频回路和阻抗匹配网络等。总之，在微波集成电路中凡需要使用谐振回路的地方，都可以使用带状线和微带线谐振器，以利于集成小型化的微波集成电路。本次设计采用的1/4波长一端短路另一端开路的微带线谐振器如图所示：图1-3 一端短路一端开路微带线谐振器第二章、设计过程2.1参数计算本次设计采用1/4波长一端短路另一端开路

7、的微带线设计，设计的参数要求如下：中心频率、尺寸、品质因数、阻抗2.1.1 近似长度计算自由空间的波长：为方便计算，设计微带线的中心导电带宽=1mm，基片高=1mm，所以若中心导电带长度为4mm（实际小于4mm），由（mm）得=15.2588又得=23.3247所以，要求>23.3247因此，经分析和相关资料查询，我们本次设计最终选取具有中等的介电常数、低的介电损耗的BaTi409微波介质陶瓷。其中相对介电常数=39，损耗。2.1.2 参数的最终计算由前面的计算和分析得：，=39所以：其中，为中心导电带的长度。银在室温下为固体，导电性能优越，化学稳定性好，易于成膜，故选择银作为中心导带薄

8、膜材料。银的导电率为6.17x107s/m。2.2 Sonnet软件仿真a、打开sonnet，设置相关参数，单位，设计尺寸，建立导电率为6.17x107s/m，厚度为t=0.001mm的Metal1。b、在容器内用Toolbox作出长度大致为3.1mm，宽为1.00mm的矩形。双击矩形区域，选择金属类型为Metal1。（注意矩形要与边界相连，因为此时软件默认表示接地）。c、用Toolbox作出中心导带两旁的电容，选择相同的Matel1，再添加大小相同的两个端口1、2（和中心导电带形成与外电路的耦合电容，此时不要求大小，后面调节）。大致形状如下：图2-1 中心导电带及两端口大致形状d、选择Cir

9、cuit-Dielectric Layers，设置基片上面空气厚度以及基片厚度d、r和损耗，保存。（一般空气厚度约为基板厚度的3-5倍）然后选择Analysis-Steup设置扫描方式及扫描范围。e、选择Project-Analyze进行分析。按照中心频率所在的位置调节中心导电带长度，反复调试，直到中心频率在4.8GHz为止。再调节两旁端口与中心导电带形成的的电容大小，反复调试，使DBS12和DBS21越尖锐越好。得到最终的设计尺寸（图2-2）及仿真的曲线（图2-3）如图：图2-2 微带线谐振器最终设计及尺寸图图2-3 软件仿真结果Q值计算：图2-4 仿真Q值分析所得Q值：由仿真结果，我们的中

10、心频率=4.8GHz，品质因数=300>100，符合设计要求2.3 采用柠檬酸凝胶法制备BaTi409微波介质陶瓷a、试剂选择，钛酸丁酯Ti(OC4H9)4，纯度98、乙酸钡Ba(CH3COO)2，纯度99、柠檬酸(C6H807)、乙酸(CH3COOH)、乙醇(CH3CH20H)为起始材料。b、钛酸丁酯溶于乙醇，符合化学式配比(nTi：nBa=4：1)的乙酸钡在加热搅拌的条件下溶于乙酸。c、冷却后，把以上2种溶液混合，并加入柠檬酸的乙醇溶液。柠檬酸与总的金属离子的摩尔比为l：l。混合溶液的pH值控制在2左右。在搅拌混合的过程中，混合溶液逐渐转变为凝胶。d、凝胶在80干燥，在500750热

11、处理3h，然后把750处理的粉体于9001200煅烧2 h在1200处理的粉体经过球磨、干燥，添加w(PVA)=5的PVA造粒，在100 MPa的压力下压成尺寸4x3x1（mm）的厚片，在11501300烧结4h成为陶瓷基片。2.4 真空镀膜中心导电带我们要在陶瓷基片上镀Ag膜，采用真空蒸发的方法，即通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为真空蒸发镀膜。具体操作如下：a、以电阻作为加热源，用难熔金属如钨、钽制成舟箔或丝状,通以电流,加热在它上方的或置于坩埚中的蒸发物，示意图（图2-5）如下：图2-5 真空蒸发镀膜示意图b、将银置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，然后钛酸钡陶瓷基片置于坩埚前方，待系统抽至高真空后，加热坩埚使其中的银蒸发，蒸发的银原子以冷凝方式沉积在基片表面，掌握蒸发速率和时间，将薄膜厚度控制在0.01mm以下。总结微波电路及其系统中对器件高可靠性和小型化有很高的要求，本次设计使用了四分之一波长一端短路一端开路的微带线设计尺寸4x3x1（mm）的谐振器，并获得成功，有效减小了器件体积。并采用柠檬酸凝胶法制备BaTi409微波介质陶瓷及真空镀膜中心导电